基于通用处理器的移动通信基站模块设计与实现

摘要

随着移动互联网和智能手机的不断普及以及LTE相关技术的大力发展，传统的无线接入网架构面临着很大的挑战。首先，数量庞大的基站带来了高昂的投资和高额的能耗。其次，潮汐效应导致基站的实际利用率仍然很低，而在传统无线接入网的架构下不同的基站之间不能共享处理能力，使得频谱效率也很难提高。最后，在同时运营多标准的网络如GSM，TD-SCDMA或WCDMA，以及LTE时，目前专有平台的架构使得运营商需要同时维护多个不兼容的平台，在扩容或者网络平滑升级换代时也需要更高的成本。
　　 为此，中国移动提出C-RAN无线接入网的绿色演进架构，利用基站虚拟化、基带互联等技术建立集中式基带池，用于解决上述问题。而与此同时，这一创新架构又带来了新的技术挑战，例如如何基于统一的开放式平台来建立虚拟基站池。而目前，随着通用处理器技术和软件无线电的发展，通用处理器也逐渐可以满足数字信号处理等具有高数据负荷运算的要求，其新技术包括：多核CPU的出现，既支持定点运算、又支持浮点运算的单指令流多数据流(SIMD)，容量逐渐增大的多级高速缓存以及延迟逐渐降低的内存。借助于这些新技术，通用处理器可以完成通常由DSP完成的数字信号处理，特别是基站设备内的基带处理功能，并具有长期向后兼容、统一开放平台等多种优势，为基站基带信号处理的虚拟化提供了可能。
　　 本文首先论述了无线接入网架构面临的诸多挑战以及应对措施和相关的技术难点，然后介绍了软件无线电和通用处理器的发展，主要选取英特尔架构(IA)，探讨了基于通用处理器的移动通信基站具备的优势和面临的技术挑战，并提出了基于IA架构上的LTEeNodeB基站的架构设计原则。
　　 然后，本文重点研究在通用处理器架构上进行无线数字信号处理的可行性，选取无线物理层部分核心模块在IA架构上进行算法设计与实现。重点选取了WCDMA标准中的核心加密算法KASUMI和LTE标准中的扰码器，利用英特尔SSE指令集，采用高并行度、高效定点的实现方法，并大量使用查找表技术降低计算复杂度，对相关算法的数据结构和算法流程进行了重新设计与优化，验证了通用处理器在无线数字信号处理中的能力，并为相关模块在IA架构上的实现提供了参考设计，为进一步的集中式基带池、虚拟化等技术的研究提供了基础。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 无线接入网面临的挑战

1.1.2 软件无线电与通用处理器

1.2 技术挑战与研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文的组织结构

第二章 基于通用处理器的移动通信基站

2.1 软件无线电

2.2 通用处理器架构

2.2.1 CPU运作原理

2.2.2 英特尔微架构

2.2.3 英特尔SSE指令集

2.3 基于通用处理器的移动通信基站的优势

2.4 基于英特尔架构的LTE eNodeB基站

2.5 本章小结

第三章 KASUMI加密算法的高效软件设计与实现

3.1 KASUMI加密算法

3.1.1 分组密码与输出反馈模式

3.1.2 Feistel网络

3.1.3 KASUMI算法描述

3.1.4 f8与f9

3.2 设计与实现过程

3.2.1 技术挑战与设计分析

3.2.2 以查找表方式优化FI子函数

3.2.3 利用英特尔SSE指令集并行处理8个数据包

3.2.4 初始向量与子密钥的快速生成

3.3 性能分析

3.4 本章小结

第四章 LTE扰码器的高效软件设计与实现

4.1 扰码器(Scrambler)

4.1.1 概念

4.1.2 扰码器的作用

4.1.3 扰码器的分类

4.2 LTE标准中的扰码器

4.2.1 线性反馈移位寄存器(LFSR)

4.2.2 M序列

4.2.3 Gold序列

4.2.4 LTE扰码器

4.3 设计与实现

4.3.1 设计分析

4.3.2 M序列的快速生成

4.3.3 并行--分拆查找表设计

4.3.4 性能

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文工作总结

5.2 下一步的工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果